Охлаждающие жидкости: классы, показатели и рекомендации

Почему концентрат антифриза замерзает раньше смеси 50/50? Подбери долю гликоля для мороза −40 °C и высоты 4000 м, а потом проживи срок службы жидкости и посмотри, как долив водой и смешивание классов портят тест и выедают гильзу.

01 Что это такое

Охлаждающая жидкость это вода, гликоль и пакет ингибиторов. Вода уносит тепло, гликоль не дает ей замерзнуть и поднимает кипение, а ингибиторы берегут металл от коррозии и кавитации.

Лучший теплоноситель это вода: она забирает тепла больше любой другой обычной жидкости. Но при 0 °C она замерзает и рвет блок цилиндров, а на высоте 4000 м кипит уже при 86 °C. Этиленгликоль, реже менее ядовитый пропиленгликоль, смешивают с водой: смесь замерзает намного ниже нуля и кипит выше. Сам по себе гликоль охлаждает хуже воды, поэтому чистый концентрат лить нельзя. Третья часть, ингибиторы, это всего 3–5 %, но именно от них зависит, сгниет ли радиатор и не пробьет ли кавитация гильзу цилиндра. По ингибиторам жидкости и делят на классы, а цвет это просто краситель. Как вода замерзает и кипит, смотри в химии: «Состояния вещества: вода» и «Испарение, кипение и давление пара».

Схема, не настоящий масштаб: в канистре все перемешано. Доли даны для готовой смеси 50/50, концентрат разбавляют водой сам или покупают готовый.

ЭГ: Этиленгликоль. Двухатомный спирт, основа почти всех антифризов. Ядовит: сладкий на вкус, и глоток может убить человека или животное.
OAT: Organic acid technology. Класс по ингибиторам: IAT неорганические, OAT органические, HOAT и NOAT гибридные. Именно класс, а не цвет решает, что с чем можно смешивать.
SCA: Supplemental coolant additive. Добавка к жидкости дизеля: восполняет нитриты, которые защищают мокрые гильзы от кавитации. Уровень меряют тест-полоской.

IATнеорганические

внутри: Силикаты, фосфаты, бораты, нитриты
срок: 2 года или около 3000 ч, с добавками SCA по тест-полоскам
плюс: Быстро покрывают металл защитной пленкой, хорошо берегут алюминий.
минус: Тратятся быстро, силикаты в жесткой воде выпадают гелем и осадком.

HOATгибридные

внутри: Органические кислоты и немного силикатов или фосфатов
срок: около 5 лет или 6000 ч
плюс: Быстрая защита от силикатов и долгий срок от органики.
минус: Силикаты и фосфаты все же есть, со смешиванием надо осторожно.

OATорганические

внутри: Только карбоксилаты: соли органических кислот
срок: 5–6 лет или до 12 000 ч
плюс: Ингибиторы тратятся только там, где начинается коррозия, поэтому служат долго.
минус: Защиту строят медленнее. Без нитритов слабее против кавитации мокрых гильз.

NOATорганические с нитритами

внутри: Карбоксилаты, нитриты, иногда молибдаты
срок: до 12 000 ч с добавкой-расширителем на половине срока
плюс: Долгий срок и защита мокрых гильз дизеля от кавитации.
минус: Нитриты постепенно тратятся, их уровень проверяют тест-полоской.

G11, G12, G13 это не стандарт, а обозначения внутренних норм одного автопроизводителя, концерна Volkswagen. Для горной техники смотри спецификацию производителя двигателя: ASTM D6210 для тяжелых дизелей, Cummins CES 14603, Cat EC-1 и подобные. На канистре должно быть написано, какой норме жидкость соответствует.

Осторожно: этиленгликоль ядовит

Он сладкий на вкус, и этим опасен для детей и собак. Смертельная доза для взрослого около 100 мл, отравление проявляется не сразу, а через несколько часов, когда уже поражены почки. Работай в перчатках, не сливай жидкость на землю и в канализацию, собирай пролитое, храни в подписанной таре и сдавай отработку на утилизацию. Если проглотил хоть немного, сразу к врачу.

02 Опыт

Смешай, подними на 4000 м, проживи срок службы. АНТИФРИЗ

ТРИБОЛОГИЯ

Сколько гликоля лить и когда менять?

Рис. 9.10

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Условия опыта

Что смотреть

Гликоль в смеси

Самый сильный мороз

Гликоль

Высота над морем

Клапан крышки радиатора

Крышка держит избыточное давление 50–100 кПа. Открой ее на горячем двигателе, и жидкость вскипит и выплеснется.

Технология ингибиторов

Чем доливают

Дизель с мокрыми гильзами

Наработка с заливки

03 Формулы по буквам

Кипение, высота и теплоемкость

Почему смесь кипит выше воды, почему на руднике она кипит ниже, чем в долине, и почему концентрат охлаждает хуже. Числа берутся из режима «смесь».

При какой температуре закипит смесь?

p_атм + p_кр = x_в·p_в(T) + x_г·p_г(T)

Закон Рауля. Жидкость кипит, когда давление ее пара сравнялось с давлением над ней. Молекулы гликоля почти не испаряются и разбавляют воду, поэтому пара над смесью меньше, и ее приходится сильнее нагреть.

p_атм: атмосферное давление на этой высоте, кПа
p_кр: избыточное давление, которое держит клапан крышки, кПа
x_в, x_г: мольные доли воды и гликоля в смеси, в сумме 1
p_в(T), p_г(T): давление пара чистой воды и чистого гликоля при температуре T, кПа

Какое давление на высоте рудника?

p = p₀ · (1 − h / 44 330)^5,255

Барометрическая формула для стандартной атмосферы. С каждым километром воздуха над головой меньше, и на 4000 м давление уже на 40 % ниже, чем у моря. Подробнее о давлении газа: «Газовые законы».

p: атмосферное давление на высоте h, кПа
p₀: давление на уровне моря, 101,3 кПа
h: высота над уровнем моря, м
44 330: постоянная стандартной атмосферы, м

Сколько жидкости надо прокачать?

V̇ = Q / (ρ · c · Δt)

Чем меньше теплоемкость литра жидкости, тем больше литров насос должен прогнать через двигатель, чтобы унести то же тепло при том же нагреве. Гликоль тяжелее воды, но его теплоемкость почти вдвое ниже, и в сумме литр смеси уносит меньше тепла.

V̇: расход жидкости, л/с
Q: тепло, которое надо отвести, кВт: у дизеля самосвала около 1000 кВт
ρ: плотность смеси, кг/л
c: удельная теплоемкость, кДж/(кг·°C)
Δt: нагрев жидкости в двигателе, °C: обычно 6–10

Почему у кривой замерзания есть дно

Замерзая, смесь выращивает кристаллы чистого льда, а гликоль остается в жидкости. Молекулы гликоля мешают молекулам воды встраиваться в лед, и чем их больше, тем холоднее нужно. В слабом растворе понижение точки замерзания пропорционально концентрации: Δt = K·m, где K = 1,86 °C·кг/моль для воды, а m число молей гликоля на килограмм воды. Подробно о растворах в химии: «Концентрация растворов и разбавление».

Но если гликоля много, при охлаждении первыми кристаллизуются уже его молекулы, а вода мешает им. Две ветви кривой встречаются в самой холодной точке, эвтектике: для этиленгликоля около 65–68 % по объему и −60…−65 °C. Дальше смесь замерзает выше, а чистый этиленгликоль густеет и застывает уже при −13 °C. Поэтому «добавить концентрата для надежности» значит ухудшить защиту.

Слева выпадает лед, справа кристаллы гликоля. Пунктир: простая формула Δt = K·m, она верна только для слабых растворов.

04 Где и зачем это применяют

Что проверяют на ТО и чего нельзя делать

Проверка перед зимой
Рефрактометр по капле показывает температуру замерзания, шкала у этиленгликоля и пропиленгликоля разная. На руднике с морозом −40 °C держат 50–60 % гликоля. Тест-полоски дают pH, нитриты или резерв ингибиторов, ежегодно жидкость отправляют в лабораторию.
Чем доливать
Только готовой смесью той же марки или концентратом с дистиллированной либо деминерализованной водой. В воде из-под крана соли жесткости дают накипь на гильзах, а хлориды и сульфаты разъедают металл. Про жесткость воды: «Химия воды: жесткость и водоподготовка».
Нельзя смешивать технологии
Силикаты IAT в смеси с органикой OAT выпадают гелем и осадком, забивают соты радиатора и масляного охладителя, а ингибиторы гасят друг друга. При переходе на другую технологию систему сливают, промывают и только потом заливают новую жидкость.
Признаки беды в жидкости
Масляная пленка в бачке значит течь масляного охладителя. Пузыри и рост давления на холодном двигателе значат прорыв газов через прокладку головки или трещину. Обратное, гликоль в масле, ловит анализ масла по натрию, калию и бору.
Кавитация мокрых гильз
Поршень бьет гильзу, ее стенка вибрирует, в жидкости рождаются и лопаются пузырьки и выедают металл ямками. Без нитритов гильза может прогнить насквозь, и антифриз пойдет в картер. Как работает система охлаждения целиком: «Охлаждение и смазка».
Замена и утилизация
Меняют по сроку класса или по анализу, раньше при загрязнении. Перед зимним пуском проверяют подогреватель, он греет именно эту жидкость: «Холодный пуск при −40 °C». Отработку сливают в закрытую тару и сдают на переработку, гликоль из нее восстанавливают.

Допущения модели+

Доля гликоля дана в процентах по объему. Температура замерзания взята по табличным данным для смесей этиленгликоля и пропиленгликоля с водой (начало выпадения кристаллов, ниже смесь становится кашей, а разрыв блока наступает еще холоднее), между точками линейная интерполяция. Для пропиленгликоля данные выше 70 % сильно расходятся, поэтому кривая там не проведена. Кипение посчитано по закону Рауля для идеальной смеси, давление пара воды и гликоля по уравнению Антуана; реальная смесь кипит на 1–4 °C ниже при высокой доле гликоля. Атмосферное давление по стандартной атмосфере. Теплоемкость смеси взята линейной по массе при 90 °C (вода 4,2, этиленгликоль 2,7, пропиленгликоль 2,9 кДж/(кг·°C)), вязкость и коэффициент теплоотдачи не учтены, а они тоже ухудшаются с ростом гликоля. В режиме ТО запас ингибиторов падает по экспоненте до 40 % к концу срока класса (IAT 3000 ч, HOAT 6000 ч, OAT и NOAT 12 000 ч, у NOAT на 6000 ч добавка-расширитель поднимает запас до 85 %), смешивание с другой технологией сокращает срок до 3000 ч. Долив водой разбавляет жидкость на четверть за 12 000 ч. Глубина кавитационных ямок растет пропорционально квадрату недостатка защиты, стенка гильзы 8 мм. Реальные интервалы и нормы задает производитель двигателя.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →